薄壁鈑焊類零件變形控制工藝研究

燕英 孫麗燕 盧海濤

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

國外某公司生產的XX2500燃汽輪機在國際市場中占有重要的地位，主要用于航船上。密封空氣后支撐為燃汽輪機燃燒室中一個重要零件，該研制零件是轉包的新一類鈑金產品，此零件為高溫合金薄壁焊接構件。為滿足航空、航天薄壁焊接結構在制造過程中對幾何型面的嚴格技術要求，控制高溫合金在焊接過程中的變形和殘余應力已成為新件研制中重點關注內容。

1 零件結構特點及技術要求

零件的結構工藝特點：該零件它由鈑金件3件，機加安裝邊2件焊接形成，它的特點是薄壁易變形，剛性差。零件實物見圖1。

技術要求：根據外方標準要求零件焊接后鈑金件與機加件同軸度0.4mm，各鈑金件之間的平行度垂直度變化不大于0.2mm。

尺寸要求：焊接時需對零件的變形進行控制，為車加工做好準備。鈑金件固溶熱處理后焊接變形徑向保證φ404.87±0.25，小安裝邊面輪廓度保證0.2mm，整體高度需控制在75.7±0.3mm。

圖1 密封空氣后支撐

2 材料

圖2 密封空氣后支撐焊接

密封空氣后支撐主體材料為Ⅰnconel 718鎳鐵基合金,該材料是沉淀硬化形高溫合金，含AL、Ti較高，在低溫和700°C以下具有高的屈服強度拉伸強度和持久強度，在650-760°C具有良好的塑性。無論在固溶狀態或失效狀態都具有良好的成型性和焊接性，由于此合金的線膨脹系數很大，焊接后易產生較大的焊接應力。該零件焊接部位厚度為1.27±0.076mm，屬于高溫合金薄壁焊接構件。

3 零件焊接工藝方案

3.1 工藝安排：考慮到如果安裝邊預留余量，組合焊接及熱處理后零件的變形，會使后續的機械加工的安裝邊壁厚不一致，而壁厚尺寸為關鍵尺寸，為減少后續機械加工的難度，采用局部無余量安裝邊進行焊接，焊接后熱處理，再通過校正模具及校正夾具消除固溶熱處理后焊接變形。

圖3 零件焊接夾具

主要工藝程序：焊前清理-裝配定位焊-焊接-焊縫清理-擦拭腐蝕-熒光檢查-去應力熱處理-校型-熒光檢查-固溶失效熱處理-鉗工校正-機械加工

3.2 焊接夾具準備是零件焊接工藝準備的重要環節。此零件屬于薄壁鈑金焊接件，焊接時極易失穩而產生焊接變形。因此焊接夾具設計采用了集氬氣保護、銅塊冷卻、定位脹緊的多功能結構。焊接時用剛性固定法和散熱法控制焊接變形，保證零件焊接后的機械加工及錯位要求，使保持很好的同心度，并采取反變形法來控制焊接變形。

4 零件焊接及存在問題的解決方案

4.1 零件焊接

選用能量比較集中的焊接方法，采用了氬弧焊機器人，定位焊后用示教法進行編程，沿圓周采20個點，固定運行軌跡，將具體焊接參數導入焊接程序中。按此參數焊接零件，經檢測焊縫滿足技術要求。

4.2 存在問題及解決方案

前期焊接夾具設計時充分考慮了對瞬態熱變形及殘余變形的控制，但對伴隨的殘余應力估計不足，固熔失效后發生了鈑金件發生了翹曲變形，前、后安裝邊的平面度及平面度變化較大，超出了焊后0.3mm要求，達到了0.7mm，零件的徑向、軸向尺寸都發生了收縮變形，尺寸超差。

考慮薄壁鈑金件剛性相對不足，連續大電流焊接散熱不均導致翹曲，另外不均勻快速加熱和冷卻過程必然引起焊接區發生不均衡的應力應變變化，這種不均衡的應力應變是導致焊后形成殘余應力和應變的主要原因。盡管在夾具設計時采取了相應措施，焊接過程當中焊縫收縮受到焊接夾具的限制不能自由收縮，但是殘余應力卻無法消除，如果殘余變形減少，則殘余應力會增大，熱處理后殘余應力釋放必然引起尺寸的變化。

調整單件鈑金件尺寸和增加熱處理夾具成本較高，為了克服由焊縫收縮引起的變形及最終固溶熱處理應力釋放引起的尺寸超差，現場采用機械校正法保證零件的設計尺寸和技術條件，見圖四。這種“里脹外收”的結構采取了限位控制徑向尺寸，最終解決了單件焊接收縮量預留不夠的問題。

圖4 零件限位校正圖

為了保證小安裝邊面輪廓度0.2mm，整體高度需控制在75.7±0.3mm的要求，前期設計制造了校正夾具。在保證零件相關尺寸不變的前提下對零件的高度尺寸及小安裝邊局部輪廓度進行校正，有效地控制了縱向焊接、熱處理變形造成的超差尺寸。

結語

焊接變形是焊接件加工中的一大難題，傳統控制應力和變形方法只能減小變形或在一定程度上降低殘余應力水平，所以還需采取一定的補救措施。但是固溶時效熱處理后經過模具校正，鉗工矯形，零件內部內應力重新產生，應力隨機械加工不斷釋放，極易造成零件超差。增加去應力熱處理希望通過隨后的校正工序摸索出預收縮量、預變形量，使零件在固溶時效熱處理后機械加工前既符合尺寸要求又無應力殘留。

[1]鄧明.沖壓成型工藝及模具[M].北京：化學工業出版社，2006.

[2]殘余應力的產生和對策[M].北京：中國工業出版社，1983.